 |
Лекция 18. Паровое отопление
|
|
|
|
Лекция 18
ПАРОВОЕ ОТОПЛЕНИЕ
| Попутная конденсация –Переход пара из газообразного состояния в жидкое вследствие понижения его температуры у стенок трубопровода ниже температуры точки росы из-за теплопотерь трубопроводами. |
| Паропровод – Трубопровод, по которому перемещается пар от теплогенератора к нагревательным приборам |
| Разомкнутые системы - Системы парового отопления, в которых конденсат после нагревательных приборов собирается в конденсатный бак, а оттуда конденсатным насосом перекачивается в теплогенератор |
| Замкнутые системы- Системы парового отопления, в которых конденсат после нагревательных приборов поступает непосредственно в тепллогенератор |
| Конденсатопровод - Трубопровод, по которому перемещается конденсат от нагревательных приборов к теплогенератору |
| Гидравлический затвор – Устройство системы парового отопления для предотвращения проскока пара в конденсатопровод |
Содержание темы.
18. 1 Система парового отопления
18. 2 Схемы и устройство систем парового отопления
18. 3 Оборудование системы парового отопления
18. 4 Системы вакуум-парового и субатмосферного отопления.
18. 5 Выбор начального давления пара в системе
18. 6 Гидравлический расчёт паропроводов низкого давления
18. 7 Гидравлический расчёт конденсатопроводов
18. 8 Система пароводяного отопления
18. 1 Система парового отопления
В системе парового отопления зданий и сооружений используется водяной пар, свойства которого как теплоносителя для отопления рассмотрены ранее. Водяной пар в системе состоит из смеси сухого насыщенного пара и капелек воды, т. е. находится во влажном состоянии. Влажное состояние изменяется при движении пара по трубам. По пути движения пара происходит, как ее называют, попутная конденсация (22. 1) части пара вследствие теплопередачи через стенки труб в окружающую среду. Поэтому, строго говоря, по паропроводам(22. 2) системы перемещается пароконденсатная смесь, плотность которой должна вычисляться по плотности сухого насыщенного пара с учетом его доли в смеси (степени сухости пара) при данном содержании влаги. Практически же при расчетах паропроводов исходят из плотности сухого пара.
|
|
|
Напомним, что система парового отопления обладает по сравнению с системой водяного отопления некоторыми преимуществами:
1) возможность быстрого нагревания помещений при подаче пара в отопительные приборы и столь же быстрого их охлаждения при выключении подачи пара;
2) сокращение капитальных вложений и расхода металла вследствие уменьшения размеров отопительных приборов и конденсатопроводов;
3) возможность отопления зданий любой этажности, так как столб пара не создает значительно повышенного гидростатического давления в нижней части системы.
| РАЗЪЯСНЯЕМ | Уменьшение размеров отопительных приборов и конденсатопроводов происходит так, как пар имеет высокую температуру. Минимальная температура 100°С |
Видно, что система парового отопления более пригодна, чем система водяного отопления, для периодического обогревания помещений (например, для дежурного отопления). Однако эксплуатационные недостатки системы парового отопления настолько существенны, что значительно ограничивают область ее применения. Недостатками системы парового отопления являются:
1) невозможность регулирования теплоотдачи отопительных приборов путем изменения температуры теплоносителя, т. е. невозможность качественного регулирования;
|
|
|
2) постоянно высокая температура (100°С и более) поверхности теплопроводов и отопительных приборов, что вызывает разложение оседающей органической пыли, а также вынуждает устраивать перерывы в подаче пара;
перерывы в подаче пара приводят к колебанию температуры воздуха в помещениях, т. е. к понижению уровня теплового комфорта;
3) увеличение бесполезных теплопотерь паропроводами, когда они проложены в необогреваемых помещениях;
4) шум при действии систем, особенно при возобновлении работы после перерыва;
5) сокращение срока службы теплопроводов; при перерывах в подаче пара теплопроводы заполняются воздухом, что усиливает коррозию их внутренней поверхности.
Вследствие этих недостатков система парового отопления не допускается к применению в жилых, общественных и административно-бытовых зданиях, а также в производственных помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха.
Паровое отопление может устраиваться в производственных помещениях без выделения пыли и аэрозолей или с выделением негорючей и неядовитой пыли, негорючих и не поддерживающих горение газов и паров, со значительными влаговыделениями, а также для обогревания лестничных клеток, пешеходных переходов, вестибюлей зданий.
Во всех случаях паровое отопление допускается применять при обосновании (например, при избытке пара, используемого в технологическом процессе производства). Отметим, что при реконструкции старых предприятий имеющиеся системы парового отопления заменяются водяными как более экономичными и надежными в эксплуатации.
В зависимости от конструктивных особенностей и трассировки трубопроводов системы парового отопления подразделяются на двухтрубные вертикальные и однотрубные вертикальные и горизонтальные, с верхней, нижней или средней разводкой магистрального паропровода, тупиковым и попутным движением пара и конденсата (рис. 18. 1-18. 3).
По способу возврата конденсата в котел или наружные тепловые сети системы отопления могут быть:
а) замкнутыми, в которых конденсат перемещается за счет гидростатического давления или специально предусмотренного остаточного давления пара в системе (см. рис. 18. 1, а, б );
|
|
|
б), разомкнутыми, когда конденсат перекачивается насосом из промежуточного конденсатного бака (см. рис. 18. 2 и 18. 3, 6).
Системы парового отопления, непосредственно соединенные с атмосферой для выпуска из них воздуха, называются открытыми (см. рис. 11. 1 и 11. 2), а не соединенные - закрытыми (см. рис. 18. 3).
Конденсатопроводы в системах парового отопления бывают:
а) сухими, частично заполненными конденсатом, а частично воздухом (конденсатопровод в системах отопления низкого давления, расположенный выше уровня стояния конденсата, и в системах высокого давления между отопительным прибором и конденсатоотводчи-ком; см. рис. 18. 1-18. 3);
б) мокрыми безнапорными, по которым конденсат перемещается самотеком при полном заполнении трубопровода (конденсатопроводы в системах отопления низкого давления, расположенные ниже уровня стояния конденсата; см. рис. 18. 1, а);
в) мокрыми напорными, по которым перемещается конденсат с помощью насоса либо за счет остаточного давления пара (см. рис. 18. 2 и18. 3);
г) напорными двухфазными (эмульсионными), по которым конденсат перемещается совместно с пролетным паром и паром вторичного вскипания (конденсатопровод в системах парового отопления высокого давления между конденсатоотводчиком и конденсатным баком или расширительным бачком; см. рис. 18. 3).
18. 2 Схемы и устройство систем парового отопления
Система парового отопления изобретена в Англии в середине XVIII в. Наибольшее распространение она получила в виде системы высокого давления в первой половине XIX в. С середины XIX в. стала применяться система низкого давления. В настоящее время паровое отопление используют ограниченно — в основном, когда технологический процесс связан с потреблением пара.
Пар для ведения технологического процесса подают, как правило, от внешних источников при сравнительно высоком давлении, В этих условиях для отопления используют «мятый» (отработавший) — снизивший давление после технологического оборудования, или редуцированный (с понижением давления) пар, предусматривая разомкнутые системы Замкнутые системы встречаются редко.
|
|
|
Паровое отопление основано на передаче в помещения скрытой теплоты парообразования, выделяющейся при конденсации насыщенного пара. Для отопления может быть использован перегретый пар, но специальное перегревание пара экономически не оправданно, так как дополнительно получаемое количество теплоты невелико (мала теплоемкость пара) сравнительно с тепловым эффектом фазового превращения пара в воду.
Расчеты систем парового отопления проводят, как уже сказано, по показателям сухого насыщенного пара, давлению которого всегда соответствует определенная температура.
Удельная энтальпия сухого насыщенного пара iп кДж/кг, зависящая от давления, под которым находится пар, определяется по формуле
iп=iж+r (18. 1)
где iж — удельная энтальпия кипящей воды, полученная при нагревании 1кг воды от температуры замерзания (обычно от 0°С) до температуры кипения, кДж/кг; r — удельная теплота парообразования, полученная в результате превращения 1кг воды в пар при температуре кипения, кДж/кг.
Пример 22. 1 Найдем по таблицам удельную энтальпию сухого насыщенного пара при избыточном (манометрическом) давлении 0, 02МПа.
Удельная энтальпия пара
iп = 439 + 2245 = 2684 кДж/кг.
В системе парового отопления применяются те же отопительные приборы, что и в системе водяного отопления. Вода, охлаждаясь в приборе, передает в современных расчетных условиях в отапливаемое помещение 84— 335 кДж/кг. Пар, конденсируясь в приборе, выделяет в расчете на 1кг значительно большее количество теплоты (по примеру выделяется удельная теплота парообразования t=2245 кДж/кг). При превращении пара в воду температура его, как известно, не изменяется, т. е. температура конденсата должна быть равна температуре насыщенного пара (tк=tнас; в примере 22. 1 tнас=105 °С). Объем пара уменьшается в среднем в 1000 раз: 1кг пара до превращения в 1 кг воды занимает объем около 1м3.
Если в отопительный прибор поступает расчетное количество пара и обеспечено свободное удаление конденсата, прибор целиком заполняется паром. Конденсат в виде пленки стекает по стенкам прибора вниз (рис. 22. 1, а). Когда количество поступающего пара уменьшается, в нижней части прибора остается невытесненный воздух (рис. 18. 1, б). Если же при этом еще затруднено удаление конденсата, то конденсат задерживается в приборе (рис. 18. 1, в) и, соприкасаясь с более холодными поверхностями, «переохлаждается», т. е. его температура становится ниже температуры пара (tк< tнас).
Следовательно, при количественном регулировании (уменьшении расчетного расхода пара) теплопоступление в помещение от каждого килограмма пара, поступающего в прибор, увеличивается до
|
|
|
q=r+c(tнас-tк) (18. 2)
однако в целом теплопередача прибора уменьшается.
Расширяя классификацию систем, отнесем к системамнизкого давления системы при избыточном давлении пара 0, 005—0, 02 МПа, а системы при давлении пара 0, 02—0, 07 МПа назовем системамиповышенного давления. Системы низкого давления, как правило, устраивают замкнутыми (18. 3), а системы повышенного и высокого давления — разомкнутыми (18. 4). В системах низкого давления во всех отопительных приборах давление близко к атмосферному.
Разводка паропроводов в зависимости от места их прокладки относительно отопительных приборов бывает верхней, нижней и средней, когда паропровод размещают на промежуточном этаже здания (например, под перекрытием второго этажа трехэтажного здания). Магистральные паропроводы и конденсатопроводы могут быть, как и в системах водяного отопления, с тупиковым (встречным) и попутным движением теплоносителя.
Схемазамкнутой двухтрубнойсистемы низкого давления с тупиковым движением пара и конденсата в магистралях изображена на рис. 18. 2. Система проста по конструкции и удобна в эксплуатации. Перед пуском система заполняется водой до уровня I—I. После нагревания воды до температуры кипения в котле образуется пар, собирающийся в паросборнике. Давление пара
определяет высоту h, м (см. рисунок), на которую поднимается вода:
h=Ризб/γ к (18. 3)
где Ризб — избыточное давление пара в котле, Па; γ к — удельный вес, Н/м3, конденсата.
 |
Рис 18. 1. Распределение пара, конденсата и воздуха в отопительном приборе при подаче пара в расчетном количестве (а) и в уменьшенном (б, в)
Пример 18. 2. Найдем высоту стояния конденсата Н в конденсатопроводе (22. 5) над уровнем воды в паросборнике при давлении пара Ризб=0, 02 МПа.
Уровень воды II—II в конденсатопроводе установится выше уровня воды I—I (рис22. 2) округленно на h=Ризб/γ к=Ризб/pкg =0, 02·106: (1000-9, 81)=2 м.
В примере 18. 2 найдена высота столба воды, создающего гидростатическое давление, которое уравновешивает давление пара в котле. При работе системы фактическая высота столба воды несколько больше h, так как необходимо дополнительное давление, чтобы преодолеть сопротивление движению конденсата по «мокрому» (целиком заполненному) конденсатопроводу до котла. Поэтому над уровнем II—II во избежание затопления горизонтального «сухого» (частично заполненного) конденсатопровода оставляют еще не менее 0, 25м (см. рис. 18. 2).
Для защиты системы от повышения давления пара сверх расчетного используют простое, но надежное автоматически действующеепредохранительное устройство — гидравлический затвор, дополненный бачком для сбора выбрасываемой паром воды и выпуска лишнего пара в атмосферу.
Пар из котла поступает по паропроводам в приборы; давление пара в приборах близко к атмосферному. Распределение пара по приборам регулируют вентилями перед приборами, контролируя полноту его конденсации в приборах при открытых отверстиях специальных тройников 8.
При движении по паропроводу часть пара, как известно, конденсируется — в паропроводе появляетсяпопутный конденсат. При средней разводке, показанной на рис. 18. 2, попутный конденсат из горизонтального паропровода стекает в нижние приборы.
| РАЗЪЯСНЯЕМ | Образование попутного конденсата происходит вследствие наличия теплопотерь пара через стенки паропроводов |
Попутный конденсат в стояках для верхних приборов увлекается поднимающимся паром, при этом возникают щелчки, треск и даже гидравлические удары. Для ограничения указанного явления системы со средней или нижней разводкой проектируют таким образом, чтобы пар поднимался в стояках на высоту не более двух этажей. При нижней разводке предусматривают отведение попутного конденсата через гидравлический затвор (22. 6) в конце паропровода (рис. 18. З, а).
| ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ | Системы парового отопления с нижней разводкой применяются при числе этажей над паропроводом не более 2-х. Для предупреждения гидравлических ударов при встречном движении пара и конденсата. |
 |
Рис. 18. 2. Замкнутая система парового отопления низкого давления со средней разводкой
1 — котел, 2 — паросборник; 3 - предохранительное устройство; 4 — сухой конденсатопровод, 5 — паропровод; 6 — воздушная труба, 7 — паровой вентиль; 8 — тройник с пробкой; 9 — мокрыйкондеисатопровод (в кружках — номера расчетных участков)
Рис 18. 3. Схема системы осушки пара при нижней разводке паропроводов(а) и верхней (б)
1 — паропровод; 2 — гидравлический затвор; 3 — конденсатопровод; 4 — калач; 5 — конденсатный стояк
Малошумная работа системы обеспечивается при верхней разводке, так как попутно образующийся конденсат
Рис. 18. 4. Обвод сухим конденсатопроводом дверного проема
1 — воздушная труба; 2 — изолированная труба в подпольном канале, 3 —тройник с пробкой
всюду перемещается по уклону (уклон показан стрелкой) в направлении движения пара. Для удаления попутного конденсата, минуя приборы (конденсат уменьшает теплопередачу), возможно присоединение стояков к паропроводу через калачи с установкой гидравлического затвора в конце паропровода (рис. 18. З, б).
В открытых системах парового отопления воздух находится в свободном состоянии. Удельный вес воздуха больше приблизительно в 1, 6 раза, чем вес пара — при температуре 100°С соотношение 9Н/м3 (плотность 0, 92 кг/м3) к 5, 7 Н/м3 (плотность 0, 58 кг/м3). Этим объясняется скопление воздуха в низких местах системы — над поверхностью конденсата. Растворимость воздуха в конденсате незначительная (из-за высокой температуры конденсата) и воздух остается в свободном состоянии.
В сухом конденсатопроводе воздух перемещается над вытекающим по уклону конденсатом. В самой низкой точке воздух удаляется в атмосферу по воздушной трубе через открытый вентиль. Воздушная труба служит также для впуска воздуха с целью ликвидации разрежения, возникающего при конденсации пара в периоды прекращения работы системы.
При мокрых конденсатных трубах прокладывают специальные воздушные трубы для сбора воздуха над поверхностью конденсата и последующего его удаления в атмосферу в одном месте (обычно около котла).
При прокладке сухого конденсатопровода над полом первого этажа трубу у проемов дверей и ворот опускают в подпольный канал, изолируют, снабжают тройником с пробкой для опорожнения и прочистки и воздушной трубой Dy 15 над проемом (рис. 18. 4). При мокром конденсатопроводе (22. 5) вверху добавляют кран для выпуска воздуха.
|
|
|
